JP2019215262A - 分光測定装置及び分光測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大きくすることなく、正確で且つ高波長分解能の分光特性を測定できる技術を提供する。【解決手段】本発明は、測定対象物の測定点から発せられた光を統合光学系によって一つの平行光束に統合し、位相シフタによって、前記統合光学系から出射された平行光束を第１光束と第２光束に分割し、該第１光束と該第２光束を、それらの間に光路長差を付与しつつ前記受光面に向けて出射し、前記受光面における前記第１光束の入射領域の少なくとも一部と前記第２光束の入射領域の少なくとも一部が重複するように、前記第１光束及び前記第２光束を前記受光面に面状に入射させ、前記受光面における前記第１光束の入射領域と前記第２光束の入射領域の重複領域の光の強度分布に基づき前記測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の分光特性を利用して該測定対象物の物性を定性的又は定量的に測定する技術に関する。

糖尿病や高脂血症等、様々な病気において、血液に含まれるグルコースやコレステロール等の生体成分の管理は、病気の予防や治療のために重要である。血液中の生体成分を測定するためには血液を採取しなければならない。ところが、血液を採取するためには、採血部位の消毒や採血器具の廃棄等の煩わしい処理が必要であるため、病気を予防する目的で生体成分を測定するための採血を日常的に行うことは敬遠される。そこで、血液を採取せずに生体成分を測定可能な、非侵襲の測定装置が提案されている。

例えば特許文献１及び特許文献２には、生体の被検部位に光を照射し、それにより被検部位の内部の生体成分から発せられる光（物体光）の分光特性を求め、該分光特性から生体成分を定性的、定量的に測定する分光測定装置が記載されている。
特許文献１に記載されている装置では、生体成分を光学的に構成する各輝点から発せられる透過光や拡散光、散乱光等の物体光は対物レンズによって一つの平行光束（物体光束）に統合された後、位相シフタである固定ミラーと可動ミラーに導かれる。固定ミラー及び可動ミラーのそれぞれで反射された物体光束は結像レンズに通され、その後、結像面上に集光し、干渉する。固定ミラーと可動ミラーは並んで配置されており、互いに平行な反射面を有している。可動ミラーは、ピエゾ素子等によりその反射面の法線方向に移動されるようになっており、該可動ミラーの移動量に応じた光路長差が固定ミラーで反射される物体光束と可動ミラーで反射される物体光束の間に生じる。したがって、可動ミラーの移動に伴い両物体光束の光路長差が変化して結像面上の干渉光の強度が変化し、いわゆるインターフェログラムが形成されるため、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより物体光の分光特性（スペクトル）を取得することができる。

また、特許文献２に記載されている装置では、位相シフタが、並んで配置された、反射面の傾きが異なる2つのミラー（基準ミラー及び傾斜ミラー）から構成されている。この装置では、各輝点から発せられ、対物レンズによって一つに統合された物体光束は、基準ミラー及び傾斜ミラーに導かれた後、各ミラーの反射面で反射される。基準ミラーで反射された光（基準反射光）と傾斜ミラーで反射された光（傾斜反射光）は結像レンズを通して、前記基準反射光及び傾斜反射光の光軸とは異なる向きに延びる同一直線上に集光され、線状の干渉像を形成する。基準ミラーの反射面と傾斜ミラーの反射面の傾きが異なることから、物体光束の光軸と基準ミラー及び傾斜ミラーの各反射面とのなす角度の違いに応じた連続的な光路長差が基準反射光と傾斜反射光との間に生じる。したがって、線状の干渉像に沿った光強度変化を検出することによりインターフェログラムを取得することができる。また、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより物体光の分光特性を取得することができる。

特開2008-309706号公報 特開2012-058068号公報

物体光の分光特性は生体成分の性質を反映していることから、特許文献１及び２に記載の装置を用いることにより、非侵襲で生体成分を定性的、定量的に求めることができる。ところが、特許文献１に記載されている装置において、正確な分光特性を取得するためには、高精度で且つ高い運動真直度で可動ミラーを駆動する必要があり、そのためには高精度ピエゾステージといった高額な駆動機構が必要となる。また、可動ミラーの駆動機構を有する分、装置が大形化する。

一方、特許文献２に記載されている装置は、ミラーを駆動する機構が不要であるため、特許文献１に記載の装置でみられるような問題は生じない。しかしながら、特許文献２に記載の装置では、各輝点から発せられる物体光から１本の線状の干渉像を形成し、この干渉像に沿う光強度変化を検出することにより分光特性を求めている。したがって、波長分解能を高めるためには、干渉像の光強度変化を検出する素子の画素数を増やす必要があるが、そのためには、検出器の受光面や位相シフタ、対物レンズ等を大きくする必要があり、やはり、装置が大形化するという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、装置を大きくすることなく、正確で且つ高波長分解能の分光特性を測定できるようにすることである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る分光測定装置は、
a) 測定対象物の測定点から発せられた光を一つの平行光束に統合して出射する統合光学系と、
b) 受光面を有し、該受光面上の光の強度分布を検出する検出器と、
c) 前記統合光学系から出射された平行光束を第１光束と第２光束に分割し、該第１光束と該第２光束を、それらの間に光路長差を付与しつつ前記受光面に向けて出射し、前記受光面における前記第１光束の入射領域の少なくとも一部と前記第２光束の入射領域の少なくとも一部が重複するように、前記第１光束及び前記第２光束を前記受光面に面状に入射させる位相シフタと、
d) 前記受光面における前記第１光束の入射領域と前記第２光束の入射領域が重複する領域の光の強度分布に基づき前記測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を備えることを特徴とする。

統合光学系は、１個の対物レンズ（コリメータレンズ）から構成したり、集光レンズと対物レンズ（コリメータレンズ）、或いは集光レンズ及び対物レンズと両レンズの共通の焦点位置に配置されたピンホールから構成したりすることができる。また、統合光学系として凹面鏡を用いることも可能である。

上記構成の分光測定装置では、統合光学系から出射された平行光束は、第１光束及び第２光束に分割された後、検出器の受光面における第１光束の入射領域と第２光束の入射領域の少なくとも一部が重複した状態で、前記受光面に面状に入射する。このとき、第１光束と第２光束の間に所定の光路長差が付与されているため、両光束の入射領域が重複する領域（重複領域）には、第１光束と第２光束の干渉像が形成される。したがって、前記重複領域の光の強度分布を検出することにより、干渉像の強度分布、つまり測定点のインターフェログラムが取得され、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより測定点の分光特性を取得することができる。

上記分光測定装置においては、前記位相シフタが、前記平行光束が斜め方向から入射するように並んで配置された平面状の第１反射面及び平面状の第２反射面を有しており、
前記第１反射面に対する前記平行光束の入射角と前記第２反射面に対する前記平行光束の入射角、及び前記第１反射面に対する前記平行光束の入射面と前記第２反射面に対する前記平行光束の入射面が、いずれも異なるように、前記第１反射面と前記第２反射面が構成されていることが好ましい。

この構成においては、統合光学系から出射され、位相シフタの第１反射面と第２反射面に対して斜め方向から入射した平行光束は、各反射面によって第１光束及び第２光束として反射される。このとき、前記第１反射面と前記第２反射面は、上述した関係を有するため、第１反射面に対して第２反射面が傾いた状態にある。このため、第１光束の光軸と第２光束の光軸は平行ではなく、検出器の受光面に向かって進行するにつれて交差し、該受光面において両光束の入射領域の少なくとも一部が重複する。

前記第１反射面に対して前記第２反射面をどのように傾けるかについて、以下に説明する。
前記第１反射面内の前記平行光束の入射軸と直交する軸をｘ軸、該ｘ軸と直交する前記第１反射面内の軸をｙ軸としたとき、前記第１反射面を前記ｘ軸を中心に所定角度回転させるとともに前記ｙ軸を中心に所定角度回転させた仮想的な面を考える。この仮想面と平行な面であって、前記第１反射面と並んだ位置に第２反射面を設定する。仮想面が、第１反射面をｘ軸周りに回転していることによって、第１光束と第２光束の間に光路長差が付与され、前記仮想面が、第１反射面をｙ軸周りに回転していることによって、第１光束と第２光束は少なくとも一部が重複した状態で検出器の受光面に入射する。ｘ軸周りに回転させる角度、ｙ軸周りに回転させる角度は、統合光学系の光学条件、検出器の受光面の光強度分布を検出する検出素子の仕様（画素数、画素ピッチ等）等によって決定される。

また、上記分光測定装置においては、位相シフタを、平面状の光導入面と平面状の光導出面を有する第１透過部と、平面状の光導入面と平面状の光導出面を有する第２透過部とを備えた透過型光学素子から構成し、第１透過部の光導出面から出射する第１光束の光軸に対して、第２透過部の光導出面から出射する第２光束の光軸が傾くように構成するようにしても良い。

この構成では、統合光学系から出射された平行光束は第１透過部の光導入面と第２透過部の光導入面に入射し、それぞれの内部を通過した後、光導出面から第１光束及び第２光束として出射する。このとき、平行光束が、例えば第１及び第２透過部の光導入面に対して垂直に入射することとすると、第１光束及び第２光束は、各透過部の光導入面に対する光導出面の傾斜角度、透過型光学素子と外部（大気）の屈折率差に応じて決まる角度だけ屈折して光導出面から出射する。したがって、第１透過部及び第２透過部の光導入面に対する光導出面の傾斜角度をそれぞれ適切に設定することにより、第１光束と第２光束の間に光路長差を付与しつつ、両光束を、入射領域の少なくとも一部が重複した状態で検出器の受光面に入射させることができる。

上記分光測定装置においては、位相シフタを、例えば前記第１透過部と前記第２透過部の光導入面が同一平面上に位置するように構成し、前記光導入面に対して前記第１透過部の光導出面及び前記第２透過部の光導出面が異なる角度で傾斜するように構成することにより、第１光束の光軸に対して第２光束の光軸を傾けることができる。この場合、第１透過部を、光導入面と光導出面が互いに平行な構成とし、第２透過部を、光導入面に対して光導出面が傾斜している構成とすると、比較的簡単に位相シフタを設計することができる。
また、第１透過部と第２透過部を屈折率が異なる別の透過型光学部材から作製し、第１透過部と大気の屈折率差と、第２透過部と大気の屈折率差の違いを利用して、第１光束の光軸に対して第２光束の光軸を傾けることもできる。

上記分光測定装置では、位相シフタが透過型光学素子から構成されているため、統合光学系が対物レンズから構成されている場合には、統合光学系と位相シフタを一体化した一つの透過型光学素子から構成することができる。

また、本発明においては、前記検出器を二次元エリアセンサとし、
前記処理部が、前記二次元エリアセンサの或るラインで検出される光の強度分布と、別のラインで検出される光の強度分布を光路長差を揃えて足し合わせることにより光の強度分布を合算し、合算された光の強度分布に基づきインターフェログラムを求めるように構成することができる。

上記構成によれば、インターフェログラムを取得するためのラインを長くすることができ（つまり、前記ラインに対応する画素数を増やすことができ）、分光特性の波長分解能を高めることができる。

なお、光の強度分布を合算する処理は、二次元エリアセンサの或るライン及び別のラインのそれぞれに含まれる全ての画素の出力信号を処理して各ラインの光の強度分布を求めてから行っても良く、各ラインに含まれる画素のうち特定の画素の出力信号を処理することにより行っても良い。
また、或るラインと別のラインに、光路長差が同じになる領域（同光路長差領域）が重複して存在する場合、いずれか一方のラインの同光路長差領域に含まれる画素の出力信号を、光の強度分布の算出に使用しないようにしても良く、両方のラインの同光路長差領域に含まれる画素の出力信号を積算し、平均値化した値を光の強度分布の算出に使用するようにしても良い。

本発明は、測定対象物の測定点の分光特性を測定する方法にも適用できる。すなわち、本発明に係る分光測定方法は、
a) 測定対象物の測定点から発せられた光を統合光学系によって一つの平行光束に統合し、
b) 位相シフタによって、前記統合光学系から出射された平行光束を第１光束と第２光束に分割し、該第１光束と該第２光束を、それらの間に光路長差を付与しつつ検出器の受光面に向けて出射し、前記受光面における前記第１光束の入射領域の少なくとも一部と前記第２光束の入射領域の少なくとも一部が重複するように、前記第１光束及び前記第２光束を前記受光面に面状に入射させ、
c) 前記受光面における前記第１光束の入射領域と前記第２光束の入射領域の重複領域の光の強度分布に基づき前記測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得することを特徴とする。

本発明は、測定点から発せられた光を一つの平行光束に統合した後、該平行光束を第１光束と第２光束に分割し、これら第１光束と第２光束の干渉現象を利用して測定点のインターフェログラムを求める。本発明では、特徴的な構成の位相シフタを用いることによって、第１光束と第２光束の間に光路長差を与えるとともに、第１光束と第２光束を、検出器の受光面に面状で入射させ、干渉させるようにしたため、広い面積の干渉像が得られる。したがって、装置を大きくすることなく、正確で且つ高波長分解能の分光特性を測定できる。また、従来の分光測定装置において干渉像を得るために用いていた結像レンズ等の光学部材が不要であるため、装置の小形化を図ることができる。

本発明に係る分光測定装置の第１実施形態の概略構成図。 従来の分光測定装置の概略構成図。 本発明に係る分光測定装置における基準反射光と傾斜反射光の干渉イメージを示す図。 インターフェログラムを求めるための解析ラインの説明図。 本発明に係る分光測定装置の測定感度を調べるために行った実験に使用した分光特性装置の概略構成図。 カメラの観察画像。 光源から出射されたＣＯ_２レーザ光のインターフェログラム（ａ）、分光特性（ｂ）。 本発明に係る分光測定装置の測定感度を調べるために行った別の実験に使用した分光特性装置の概略構成図。 カメラの観察画像。 光源から出射された中赤外白色光のインターフェログラム（ａ）、分光特性（ｂ）。 或る一つのライン上の画素において検出された光強度分布、及びこの光強度分布から求められたインターフェログラム並びにスペクトルが示された表示画面の例。 図１１の表示画面に示されているスペクトルの拡大図。 或る一つのライン上の画素において検出された光強度分布と別のライン上の画素において検出された光強度分布を合算した光強度分布、及びこの合算した光強度分布から求められたインターフェログラム並びにスペクトルが示された表示画面の例。 図１３の表示画面に示されているスペクトルの拡大図。 本発明に係る分光測定装置の第２実施形態の概略構成図。 第２実施形態の分光測定装置に用いられている光学素子を示す図。

以下、本発明に係る分光測定装置について具体的に説明する。

［第１の実施形態］
図１（ａ）は、本発明に係る分光測定装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。同図に示すように、この分光測定装置１は、対物レンズ（コリメータレンズ）１０、基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２を有する位相シフタ２０、受光面を有する検出器４０、検出器４０の検出信号を処理する処理部５０を備えている。基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２はいずれも平面状の反射面を有している。傾斜ミラー２２の反射面と基準ミラー２１の反射面は平行ではなく、一方の反射面に対して他方の反射面が傾斜している。また、検出器４０は、複数の画素が二次元配置されたＣＣＤカメラ等の二次元エリアセンサから成る。

上記構成の分光測定装置１では、図示しない光源から試料Ｓ（測定対象物）上の測定点ＳＰに対して光が照射されることにより当該測定点ＳＰから散乱光や蛍光発光等の光線群（物体光）が生じ、該物体光が対物レンズ１０を通過すると、物体光は一つの平行光束（以下「物体光束」という）に統合されて、位相シフタ２０の基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２の各反射面にそれぞれ斜め方向から導入される。したがって、この実施形態では、対物レンズ１０が統合光学系として機能する。基準ミラー２１の反射面に対して、傾斜ミラー２２の反射面は傾斜しており、両反射面は同一面上にない。このため、基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２の各反射面に入射した物体光束は異なる方向に向かって反射される。以下、基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２の各反射面で反射された物体光束をそれぞれ基準反射光及び傾斜反射光という。

上記分光測定装置１では、基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２の各反射面から出射された基準反射光及び傾斜反射光は、いずれも検出器４０の受光面に面状に入射し、且つ、両反射光の入射領域が重複するように、基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２の各反射面は設計されている。基準ミラー２１の反射面と傾斜ミラー２２の反射面の関係を説明する前に、従来の分光測定装置の構成を、図２を参照して説明する。

図２（ａ）は、上記分光測定装置１の従来装置の概略構成図である。この分光測定装置１００は、特許文献２に記載されている分光測定装置に相当する。同図に示すように、この分光測定装置１００は、対物レンズ（コリメータレンズ）１１０、基準ミラー１２１及び傾斜ミラー１２２を有する位相シフタ１２０、結像レンズ（シリンドリ力ルレンズ)１３０、結像レンズ１３の結像面となる位置に受光面を有する検出器１４０、検出器１４０の検出信号を処理する処理部（図示せず）を備えている。基準ミラー１２１及び傾斜ミラー１２２はいずれも平面状の反射面を有している。

上記分光測定装置１００においては、図示しない光源から試料Ｓ（測定対象物）上の線状の測定領域ＳＬに対して光が照射されることにより当該測定領域ＳＬ内の各輝点から散乱光や蛍光発光等の光線群（物体光）が発せられると、該物体光は対物レンズ１１０を通過することによって一つの平行光束（物体光束）に統合された後、位相シフタ１２０の基準ミラー１２１及び傾斜ミラー１２２の各反射面に斜め方向から導入される。そして、基準ミラー１２１及び傾斜ミラー１２２の各反射面に導入された物体光束は、その入射角と同じ角度（反射角）で反射された後、結像レンズ１３０に向かう。ここでも、基準ミラー１２１及び傾斜ミラー１２２の各反射面で反射された物体光束をそれぞれ基準反射光及び傾斜反射光という。

いま、基準ミラー１２１の反射面を規定する直交座標軸であるｘ軸及びｙ軸を図２（ｂ）に示すように定義し、ｘ軸及びｙ軸に直交する軸をｚ軸と定義する。そして、基準ミラー１２１の反射面に入射する物体光束の光軸（入射軸）とｙｚ平面が平行になるように、対物レンズ１１０及び位相シフタ１２０の基準ミラー１２１を配置する。このような配置により、ｘ軸は物体光束の入射軸と直交することになる。上記のように定義されたｘ軸に対して、基準ミラー１２１の反射面をｘ軸周りに所定角度θx回転させた仮想の面を考え、この仮想面と傾斜ミラー１２２の反射面が平行になるように該傾斜ミラー１２２を設置する。この結果、基準ミラー１２１の反射面に対して傾斜ミラー１２２の反射面がｙ軸方向に傾斜し、各反射面に対する物体光束の光学的な入射角度が異なることになるため、ｚ軸と基準反射光の光軸のなす角度と、ｚ軸と傾斜反射光の光軸のなす角度が異なることになる。

具体的には、例えば、基準ミラー１２１の反射面に対する物体光束の入射角が４５°であり、傾斜ミラー１２２の反射面のｘ軸周りの回転角θxがα°であるとき、傾斜ミラー１２２の反射面と物体光束の入射軸のなす角度は（４５＋α）°となり、傾斜ミラー１２２の反射面に対する物体光束の入射角は（４５−α）°となる。このため、ｚ軸と基準反射光の光軸のなす角度（これは、反射角に相当する。）は４５°であるのに対して、ｚ軸と傾斜反射光の光軸のなす角度は（４５−２α）°となり、基準反射光の進行方向に対して傾斜反射光の進行方向がｙ軸方向に２α°ずれることになる。このずれ角度によって基準反射光と傾斜反射光の間に連続的な光路長差が生じる。

ただし、基準ミラー１２１の反射面に対して傾斜ミラー１２２の反射面はｙ軸方向に傾斜しているのみであり、基準反射光と傾斜反射光は交わることがない。そこで、従来の分光測定装置１００では、位相シフタ１２０と検出器１４０の間に結像レンズ１３０を配置している。基準反射光及び傾斜反射光は、結像レンズ１３０を通過することによって検出器１４０の受光面上であって測定領域ＳＬと直交する直線Ｌ上に集光し、直線状の干渉像を形成する。したがって、直線状の干渉像に沿った光強度変化を測定することにより各輝点のインターフェログラムを取得することができ、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより各輝点の分光特性を取得することができる。

これに対して、図１（ｂ）は本実施形態に係る分光測定装置１における前記位相シフタ２０の基準ミラー２１と傾斜ミラー２２の関係を示している。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の定義、対物レンズ１０及び基準ミラー２１の配置は、分光測定装置１００におけるそれらと同様である。

分光測定装置１においては、基準ミラー２１の反射面をｘ軸周りに所定角度θx回転させ、さらに、ｙ軸周りに所定角度θy回転させた仮想の面を考え、この仮想面と傾斜ミラー２２の反射面が平行になるように該傾斜ミラー２２を設置する。この結果、基準ミラー２１の反射面に対して傾斜ミラー２２の反射面はｙ軸方向及びｚ軸方向に傾斜することになる。

θx＝α°、θy＝β°とするとき、ｙ軸方向の傾斜（ｘ軸周りの回転）によって、基準反射光の進行方向に対して傾斜反射光の進行方向がｙ軸方向に２α°ずれ、このずれ角度によって基準反射光と傾斜反射光の間に光路長差が生じる。また、ｚ軸方向の傾斜（ｙ軸周りの回転）によって、傾斜反射光の進行方向がｚ軸方向に傾き、位相シフタ２０からの所定の距離で傾斜反射光と基準反射光が交わる。位相シフタ２０から両反射光が交わる箇所までの距離は、θy＝β°の角度に応じて決まり、そのような箇所に検出器４０の受光面が配置されている。

これにより、分光測定装置１では、図１（ａ）に示すように基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２の各反射面から出射された基準反射光及び傾斜反射光は、検出器４０の受光面４１に面状に入射し、各入射領域の一部が重複する。上述したように、基準反射光と傾斜反射光の間には光路長差が生じているため、基準反射光の入射領域と傾斜反射光の入射領域が重複する領域（重複領域ＤＡ）では、基準反射光と傾斜反射光の干渉像が形成される。したがって、この干渉像の光強度分布を検出することにより測定点ＳＰのインターフェログラムを取得することができ、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより測定点ＳＰの分光特性を取得することができる。

次に、図３（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ、検出器４０の受光面に形成される干渉像について詳しく説明する。
測定点ＳＰから生じた物体光は対物レンズ１０を通過することにより一つの物体光束ＢＬに統合された後、位相シフタ２０の基準ミラー２１及び傾斜ミラー２２の各反射面に入射し、それぞれ基準反射光Ｌａ及び傾斜反射光Ｌｂとして出射される。なお、基準ミラー２１と傾斜ミラー２２には、それぞれ同量の物体光束ＢＬが入射することとする。そして、基準反射光Ｌａと傾斜反射光Ｌｂは検出器４０に向かい、その受光面４１に、基準反射光Ｌａの入射領域と傾斜反射光Ｌｂの入射領域が重複した状態で入射し、重複領域ＤＡに干渉像が形成される。

検出器４０の受光面４１内の軸であって基準ミラー２１と傾斜ミラー２２が並ぶ方向（上下方向）に延びる軸をＸ軸、該Ｘ軸と直交する軸をＹ軸と定義すると、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、傾斜反射光Ｌｂはその波面が基準反射光Ｌａの波面に対してＸ軸方向及びＹ軸方向の両方向に傾斜するため、重複領域ＤＡでは、両反射光の光路長差がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って変化する。このため、重複領域ＤＡにおいて光路長差が同じになる箇所を線で結ぶと、その線は、図３（ｄ）に示すように、Ｘ軸及びＹ軸に対して傾斜する。

そこで、分光測定装置１の処理部５０は、検出器４０である二次元エリアセンサの或るラインで検出される光の強度分布と、別のラインで検出される光の強度分布を、光路長差を揃えて足し合わせる処理を行う。具体的には、例えば図４に示すように、最下位にあるライン上の画素列Ｐ１で検出される干渉像の右端部の光路長差と、その画素列Ｐ１よりも４段上のライン上に位置する画素列Ｐ２で検出される干渉像の左端部の光路長差が同じである場合、画素列Ｐ１の右側に画素列Ｐ２を仮想的につなぎ合わせる。同様に、画素列Ｐ２の右側にそれよりも４段上に位置する画素列Ｐ３を仮想的につなぎ合わせ、画素列Ｐ３の右側にそれよりも４段上に位置する画素列Ｐ４を仮想的につなぎ合わせ、画素列Ｐ４の右側にそれよりも４段上に位置する画素列Ｐ５を仮想的につなぎ合わせて、解析ラインＰ（＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４＋Ｐ５）を得る。そして、解析ラインＰに含まれる画素の出力値からインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより分光特性（スペクトル）を取得する。
このような方法によれば、画素列Ｐ１の出力値からインターフェログラムを求める場合に比べて、インターフェログラムを求めるための画素数が多くなるため、広い波長範囲で且つ高い波長分解能で分光特性を取得することができる。

以下、分光測定装置１を用いて分光特性を測定した実験結果について説明する。

＜実験１＞
この実験では、図５に示すように、光源から発せられた光を集光レンズ、ピンホールに順に通過させ、対物レンズによって一つの平行光束に統合して位相シフタに導入した後、その反射光（基準反射光及び傾斜反射光）を検出器としてのカメラに入射させた。実験に用いた光源、集光レンズ、ピンホール、対物レンズ、カメラの仕様は以下の通りである。
光源：中心波長が１０．６μｍのレーザ光を出力するＣＯ_２レーザ（型式：RF4、アクセスレーザ社（Access Laser Company）製）
集光レンズ：焦点距離ｆ＝１００ｍｍ
ピンホール：直径５０μｍ
対物レンズ：焦点距離ｆ＝２００ｍｍ
カメラ：320×240画素赤外線カメラモジュールC200V（日本アビオニクス株式会社製）

図６はカメラの撮影画像である。同図から分かるように、この実験では明確な干渉縞が確認された。次に、カメラの出力値から光強度分布を求め、この強度分布に基づきインターフェログラムを取得するとともに、インターフェログラムをフーリエ変換して分光特性を求めた。その結果を図７の（ａ）及び（ｂ）に示す。なお、ここでは、カメラが有する画素（320×240画素）のうち、或る一つのライン上の画素の出力値から光強度分布を求めた。
図７（ｂ）に示すように、本実験では、ＣＯ_２レーザが出力するレーザ光の中心波長である１０．６μｍに明確なピークを有するスペクトルが取得された。このことから、本実験に用いた分光測定装置により、レーザ光の分光特性を精度良く取得できることが分かった。

＜実験２＞
この実験では、図８に示すように、光源から発せられた光を集光レンズ、ピンホールに順に通過させ、対物レンズによって一つの平行光束に統合して位相シフタに導入した後、その反射光（基準反射光及び傾斜反射光）をカメラに入射させた。実験に用いた光源、集光レンズ、ピンホール、対物レンズ、カメラは以下の通りである。
光源：フィラメント式中赤外白色光源（Kanthal Filament IR Source, 型式：EK8620、HELIOWORKS社製）
集光レンズ：焦点距離ｆ＝１００ｍｍ
ピンホール：１ｍｍ
対物レンズ：焦点距離ｆ＝２５ｍｍ
カメラ：320×240画素赤外線カメラモジュールC200V（日本アビオニクス株式会社）

図９はカメラの撮影画像である。同図から分かるように、この実験では、上記実験１で得られた撮影画像ほど明確ではないものの、干渉縞が確認された。次に、カメラの出力値から光強度分布を求め、この強度分布に基づきインターフェログラムを取得するとともに、インターフェログラムをフーリエ変換して分光特性を求めた。その結果を図１０の（ａ）及び（ｂ）に示す。なお、ここでは、カメラが有する画素（320×240画素）のうち、或る一つのライン上の画素の出力値から光強度分布を求めた。
図１０（ａ）及び（ｂ）と図７（ａ）及び（ｂ）との比較から分かるように、本実験では、インターフェログラム及びプランクの法則に従った分光特性を取得することができた。このことから、中赤外領域における分光測定の可能性が実証された。

＜実験３＞
次に、複数のライン上の画素の出力値を足し合わせる処理（合算処理）によって、分光特性の波長分解能が向上することを検証するための実験を行った。この実験に使用した分光測定装置の構成、光学条件は実験１と同じである。

図１１は、足し合わせる前、つまり、１ライン上の画素の出力値から得られたインターフェログラム及び分光特性が示された表示画面を、図１２は、図１１に示されている分光特性の拡大図を示している。なお、図１１の左上の領域に表示されている画像は、カメラの撮影画像である。

一方、図１３は、或る１つのライン上の画素の出力値と別の１つのライン上の画その出力値を足し合わせることにより得られた光強度分布から求めたインターフェログラム及び分光特性が示された表示画面を、図１４は、図１３に示されている分光特性の拡大図を示している。なお、図１３の左上の領域に示されている画像は、図１１の左上領域に表示されている撮影画像の縮小画像である。

図１２及び図１４の比較から分かるように、どちらの分光特性も同じ波長位置にピークが現れたものの、複数のライン上の画素の出力値を足し合わせる処理によって、足し合わせる前は62nmであったピークの半値幅が29nmになった。このことから、合算処理によって、高い波長分解能が実現できることが実証された。

［第２の実施形態］
上述した分光測定装置１は、位相シフタ２０をミラーから構成した例であるが、これに代えて透過光学部材から位相シフタを構成することも可能である。
すなわち、図１５（ａ）は本発明に係る分光測定装置の第２の実施形態を示している。この実施形態では、分光測定装置１Ａは、透過型光学素子８０、受光面４１を有する検出器４０、検出器４０の検出信号を処理する処理部５０を備えている。試料Ｓの測定点ＳＰから発せられた物体光は、透過型光学素子８０に入射して平行光束（物体光束）に統合された後、第１光束と第２光束に分割され、それぞれ検出器４０の受光面４１に面状に入射する。

図１５（ｂ）に示すように、透過型光学素子８０は、試料側の面である凸面部８１と、その反対側の面である位相シフタ部８２とから構成され、位相シフタ部８２は、さらに第１透過部８２Ａとその上の第２透過部８２Ｂから構成される。凸面部８１は、第１の実施形態における対物レンズ１０に相当し、測定点ＳＰから発せられた物体光を平行光束に統合する統合光学部材として機能する。一方、位相シフタ部８２は、本発明の位相シフタとして機能する。

図１６（ａ）は、透過型光学素子８０を位相シフタ部８２側から見た図、（ｂ）は図１６（ａ）のｂ−ｂ’線に沿う断面図、（ｃ）は図１６（ａ）のｃ−ｃ’線に沿う断面を上から見た図、（ｄ）は図１６（ａ）のｄ−ｄ’線に沿う断面を下から見た図である。ここでは、図１６（ａ）における上下左右を、位相シフタ部８２の上下左右とする。
これらの図から明らかなように、第１透過部８２Ａの表面と第２透過部８２Ｂの表面は、それぞれ、位相シフタ部８２の上下方向の中心線ＣＬから下方及び上方に向かって凸面部８１側に傾斜している。これにより、第１透過部８２Ａ及び第２透過部８２Ｂは、中心線ＣＬから下方及び上方に向かって厚みが徐々に小さくなる。ただし、第１透過部８２Ａの表面と第２透過部８２Ｂの表面の傾斜角度はわずかに異なっている。一方、第１透過部８２Ａの厚みは左右方向で一定であるのに対して、第２透過部８２Ｂの厚みは、左側の方が右側よりも大きくなっている。つまり、第２透過部８２Ｂの表面は、中心線ＣＬから上方に向かって傾斜しているとともに、左側から右側に向かって傾斜している。

上記構成により、透過型光学素子８０の凸面部８１に入射した物体光は、凸面部８１を通過することにより平行光束（物体光束）となり、さらに、第１透過部８２Ａ及び第２透過部８２Ｂを通過し、それらの表面から出射する際に、各表面の傾斜角度、物体光束の波長、及び透過型光学素子８０と外部（空気）の屈折率差に応じた角度で屈折する。したがって、透過型光学素子８０の材質、第１透過部８２Ａ及び第２透過部８２Ｂの表面の傾斜角度、透過型光学素子８０から検出器４０の受光面４１までの距離等を適切に選択することにより、第１透過部８２Ａ及び第２透過部８２Ｂから出射した第１光束及び第２光束を、受光面４１において各光束の入射領域の少なくとも一部が重複した状態で、該受光面４１に入射させることができる。

また、第１透過部８２Ａの表面に対する第２透過部８２Ｂの表面の傾斜角度は、測定波長範囲、波長分解能等の光学条件に基づき設計される。
例えば、透過型光学素子８０の直径Ｄが６ｍｍ、透過型光学素子８０から検出器４０の受光面までの距離Ｌが２０ｍｍ、検出器４０の画素数が８０×８０、上下方向及び左右方向の画素ピッチが共に３４μｍ、測定波長範囲が８〜１４μｍとし、第１透過部８２Ａの表面に対する第２透過部８２Ｂの表面の傾斜角（水平方向の傾斜角度）をθ、第１透過部８２Ａ及び第２透過部８２Ｂの表面のなす角度（垂直方向の傾斜角度）をφとすると、角度θを1.12deg、角度φを177.15degとすることにより、第１光束及び第２光束は、受光面４１において各光束の入射領域の少なくとも一部が重複した状態で、該受光面４１に入射する。

本発明は上記した例に限らず、適宜の変更が可能である。
第１の実施形態では、基準ミラー１２１の反射面に入射する物体光束の光軸とｙｚ平面が平行になるように構成したが、基準ミラー１２１を傾斜ミラー１２２側にやや傾けても良い。つまり、物体光束の光軸を挟んで基準ミラー１２１と傾斜ミラー１２２の両方が前記光軸側に傾くように、対物レンズ１０、基準ミラー１２１及び傾斜ミラー１２２を配置しても良い。
第２の実施形態では、統合光学系と位相シフタと一つの光学素子から構成したが、別々の光学素子から構成することも可能である。

１、１Ａ…分光測定装置
１０…対物レンズ（コリメータレンズ）
２０…位相シフタ
２１…基準ミラー（第１反射面）
２２…傾斜ミラー（第２反射面）
４０…検出器
４１…受光面
５０…処理部
８０…透過型光学素子
８１…凸面部
８２…位相シフタ部
８２Ａ…第１透過部
８２Ｂ…第２透過部

Claims (5)

1. a) 測定対象物の測定点から発せられた光を一つの平行光束に統合して出射する統合光学系と、
   b) 受光面を有し、該受光面上の光の強度分布を検出する検出器と、
   c) 前記統合光学系から出射された平行光束を第１光束と第２光束に分割し、該第１光束と該第２光束を、それらの間に光路長差を付与しつつ前記受光面に向けて出射し、前記受光面における前記第１光束の入射領域の少なくとも一部と前記第２光束の入射領域の少なくとも一部が重複するように、前記第１光束及び前記第２光束を前記受光面に面状に入射させる位相シフタと、
   d) 前記受光面における前記第１光束の入射領域と前記第２光束の入射領域が重複する領域の光の強度分布に基づき前記測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
   を備えることを特徴とする分光測定装置。
2. 請求項１に記載の分光測定装置において、
   前記位相シフタが、前記平行光束が斜め方向から入射するように並んで配置された平面状の第１反射面及び平面状の第２反射面を有しており、
   前記第１反射面に対する前記平行光束の入射角と前記第２反射面に対する前記平行光束の入射角、及び前記第１反射面に対する前記平行光束の入射面と前記第２反射面に対する前記平行光束の入射面が、いずれも異なるように、前記第１反射面と前記第２反射面が構成されていることを特徴とする分光測定装置。
3. 請求項１に記載の分光測定装置において、
   前記位相シフタが、平面状の光導入面と平面状の光導出面を有し該光導入面と該光導出面が互いに平行な第１透過部と、平面状の光導入面と平面状の光導出面を有し該光導入面に対して該光導出面が傾いている第２透過部とを備えており、前記第１透過部の光導入面と前記第２透過部の光導入面が同一面上に位置するように構成されていることを特徴とする分光測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれに記載の分光測定装置において、
   前記検出器が二次元エリアセンサから成り、
   前記処理部が、前記二次元エリアセンサの或るラインで検出される光の強度分布と、別のラインで検出される光の強度分布を光路長差を揃えて足し合わせることにより光の強度分布を合算し、合算された光の強度分布に基づきインターフェログラムを求めることを特徴とする分光測定装置。
5. a) 測定対象物の測定点から発せられた光を統合光学系によって一つの平行光束に統合し、
   b) 位相シフタによって、前記統合光学系から出射された平行光束を第１光束と第２光束に分割し、該第１光束と該第２光束を、それらの間に光路長差を付与しつつ検出器の受光面に向けて出射し、前記受光面における前記第１光束の入射領域の少なくとも一部と前記第２光束の入射領域の少なくとも一部が重複するように、前記第１光束及び前記第２光束を前記受光面に面状に入射させ、
   c) 前記受光面における前記第１光束の入射領域と前記第２光束の入射領域の重複領域の光の強度分布に基づき前記測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得することを特徴とする分光測定方法。